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軸承的失效

滾動軸承在使用過程中,由於很多原因造成其性能指標達不到使用要求時就產生了失效或損壞。
常見的失效形式有疲勞剝落、磨損、塑性變形、腐蝕、燒傷、電腐蝕、保持架損壞等。

一、疲勞剝落

疲勞有許多類型,對於滾動軸承來說主要是指接觸疲勞。滾動軸承套圈各滾動體表麵在接觸應力的反複作用下,其滾動表麵金屬從金屬基體呈點狀或片狀剝落下來的現象稱為疲勞剝落。點蝕也是由於材料疲勞引起一種疲勞現象,但形狀尺寸很小,點蝕擴展後將形成疲勞剝落。疲勞剝落的形態特征一般具有一定的深度和麵積,使滾動表麵呈凹凸不平的鱗狀,有尖銳的溝角.通常呈顯疲勞擴展特征的海灘裝紋路.產生部位主要出現在套圈和滾動體的滾動表麵.軸承疲勞失效的機理很複雜,也出現了多種分析理論,如最大靜態剪應力理論、最大動態剪應力理論、切向力理論、表麵微小裂紋理論、油膜剝落理論、溝道表麵彎曲理論、熱應力理論等。這些理論中沒有一個理論能夠全麵解釋疲勞的各種現象,隻能對其中的部分現象作出解釋。目前對疲勞失效機理比較統一的觀點有:

1、次表麵起源型

次表麵起源型認為軸承在滾動接觸部位形成油膜的條件下運轉時,滾動表麵是以內部(次表麵)為起源產生的疲勞剝落。

2、表麵起源型

表麵起源型認為軸承在滾動接觸部位未形成油膜或在邊界潤滑狀態下運轉時,滾動表麵是以表麵為起源產生的疲勞剝落。

3、工程模型

工程模型認為在一般工作條件下,軸承的疲勞是次表麵起源型和表麵起源型共同作用的結果。 疲勞產生的原因錯綜複雜,影響因素也很多,有與軸承製造有關的因素,如產品設計、材料選用、製造工藝和製造質量等;也有與軸承使用有關的因素,如軸承選型、安裝、配合、潤滑、密封、維護等。具體因素如下:

A、製造因素

  1. 產品結構設計的影響
    產品的結構設計是根據使用性能目標值來確定的,這些目標值如載荷容量、壽命、精度、可靠性、振動、磨損、摩擦力矩等。在設計時,由於各種原因,會造成產品設計與使用的不適用或脫節,甚至偏離了目標值,這種情況很容易造成產品的早期失效。
  2. 材料品質的影響
    軸承工作時,零件滾動表麵承受周期性交變載荷或衝擊載荷。由於零件之間的接觸麵積很小,因此,會產生極高的接觸應力。在接觸應力反複作用下,零件工作表麵將產生接觸疲勞而導致金屬剝落。就材料本身的品質來講,其表麵缺陷有裂紋、表麵夾渣、折疊、結疤、氧化皮和毛刺等,內部缺陷有嚴重偏析和疏鬆、顯微孔隙、縮孔、氣泡、白點、過燒等,這些缺陷都是造成軸承早期疲勞剝落的主要原因。在材料品質中,另一個主要影響軸承疲勞性能的因素是材料的純潔度,其具體表現為鋼中含氧量的多少及夾雜物的數量多少、大小和分布上。
  3. 熱處理質量的影響
    軸承熱處理包括正火、退火、滲碳、淬火、回火、附加回火等。其質量直接關係到後續的加工質量及產品的使用性能。
  4. 加工質量的影響
    首先是鋼材金屬流線的影響。鋼材在軋製或鍛造過程中,其晶粒沿主變形方向被拉長,形成了所謂的鋼材流線(纖維)組織。試驗表明,該流線方向平行於套圈工作表麵的與垂直的相比,其疲勞壽命可相差2.5倍。其次是磨削變質層。磨削變質層對軸承的疲勞壽命與磨損壽命有很大的影響。變質層的產生使材料表麵層的組織結構和應力分布發生變化,導致表麵層的硬度下降、燒傷,甚至微裂紋,從而對軸承疲勞壽命產生影響。受冷熱加工條件及質量控製的影響,產品在加工過程中會出現質量不穩定或加工誤差,如熱加工的材料淬、回火組織達不到工藝要求、硬度不均勻和降低,冷加工的幾何精度超差、工作表麵的燒傷、機械傷、鏽蝕、清潔底低等,會造成軸承零件接觸不良、應力集中或承載能力下降,從而對軸承疲勞壽命產生不同程度的影響。

B、使用因素

使用因素主要包括軸承選型、安裝、配合、潤滑、密封、維護等。不正確的安裝方法很容易造成成軸承損壞或零件局部受力產生應力集中,引起疲勞。過大的配合過盈量容易造成內圈滾道麵張力增加及零件抗疲勞能力下降,甚至出現斷裂。潤滑不良會引起不正常的摩擦磨損,並產生大量的熱量,影響材料組織和潤滑劑性能。如果潤滑不當,即便選用再好的材料製造,加工精度再高,也起不到提高軸承壽命的效果。密封不良容易使雜質進入軸承內部,既影響零件之間的正常接觸形成疲勞源,又影響潤滑或汙染潤滑劑。 根據疲勞產生的機理和主要影響因素,可以有針對性地提出預防措施。如對表麵起源損傷引起的疲勞,可以通過對零件表麵進行表麵強化處理,對次表麵起源型疲勞可以通過改善材料品質等措施。而提高零件加工質量尤其是零件表麵質量、提高使用質量、控製雜質流入軸承內部、保證潤滑質量等措施對預防和延緩疲勞都有十分重要的意義。

二、表麵塑性變形

表麵塑性變形主要是指零件表麵由於壓力作用形成的機械損傷。在接觸表麵上,當滑動速度比滾動速度小得多的時候會產生表麵塑性變形。表麵塑性變形分為一般表麵塑性變形和局部表麵塑性變形兩類。

A、一般表麵塑性變形是由於粗糙表麵互相滾動和滑動,同時,使粗糙表麵不斷產生塑性碰撞所造成,其結果形成了冷軋表麵,從外觀上看,這種冷軋表麵已被輾光,但是,如果輾光現象比較嚴重,在冷軋表麵上容易形成大量淺裂紋,淺裂紋進一步發展可能(在粗糙表麵區域區)導致顯微剝落,但這種剝落很淺,隻有幾個微米,它能夠覆蓋很寬的接觸表麵,根據彈性流體動壓潤滑理論,一般表麵塑性變形產生的原因是由於兩個粗糙表麵直接接觸,其間沒有形成承載的彈性流體動壓潤滑膜。因此,當油膜潤滑參數小於一定值時將產生的一般表麵塑性變形一般油膜潤滑參數值越小表麵塑性變形越嚴重

B、局部表麵塑性變形局部表麵塑性變形是發生在摩擦表麵的原有缺陷附近。最常見的原有缺陷,如壓坑(痕)、磕碰傷、擦傷、劃傷等。

  1. 壓坑(痕)
    壓坑(痕)是由於在壓力作用下硬質固體物侵入零件表麵產生的凹坑(痕)現象。壓坑(痕)的形態特征是:形狀和大小不一,有一定深度,壓坑(痕)邊緣有輕微凸起,邊緣較光滑。硬質固體特的來源是軸承零件在運轉中產生的金屬顆粒、密封不良造成軸承
    外部雜質侵入。壓坑(痕)產生的部位主要在零件的工作表麵上。預防壓坑(痕)的措施主要有:提高零件的加工精度和軸承的清潔度、改善潤滑、提高密封質量等。
  2. 磕碰傷
    磕碰傷是由於兩個硬質特體相互撞擊形成的凹坑現象。磕碰傷的形態特征視兩物體形狀和相互撞擊力的不同其形狀和大小不一,但有一定深度,在其邊緣處常有突起。磕碰傷主要是操作不當引起的。產生部位可以在零件的所有表麵上。預防磕碰傷的措施主要有:提高操作者的責任心、規範操作、改進產品容器的結構和增加零件的保護措施等。
  3. 擦傷
    擦傷是兩個相互接觸的運動零件,在較大壓力作用下因滑動摩擦產生的金屬遷移現象。嚴重時可能伴隨燒傷的出現。擦傷的形狀不確定,有一定長底和寬度,深度一般較淺,並沿滑動(或運動)方向由深而淺。擦傷可以在產品製造過程中產生也可以在使用過程中產生。軸承製造成過程中的擦傷預防措施與磕碰傷的預防措施相同。使用中的擦傷預防措施主要是從防止“打滑”方麵考慮,改進產品內部結構、提高過盈配合量、調整遊隙、改善潤滑、保證良好接觸狀態等。
  4. 劃(拉)傷
    劃(拉)傷是指硬質和尖銳物體在壓力作用下侵入零件表麵並產生相對移動後形成的痕跡。劃傷一般呈線型狀,有一定深度,寬度比擦傷窄,劃傷的傷痕方向是任意的,長度不定。產生部位主要在零件的工作表麵和配合表麵上。而拉傷隻發生在軸承內徑(過盈)配合麵上,傷痕方向一般與軸線平行,有一定長度、寬度和深度,並成組出現。劃傷可以在軸承製造過程中產生也可在使用中產生。而拉傷隻發生在軸承安裝拆卸過程中。預防軸承製造過程中的劃傷與預防磕碰傷的措施相同。預防使用中劃傷與預防壓坑(痕)的措施基本相同。預防拉傷的措施是嚴格安裝拆卸規程、保證配合麵的清潔、安裝時在配合麵上適當潤滑等。

綜上所述,預防表麵塑性變形的措施是要正確選用軸承、增強材料的耐磨性,保證潤滑的有效性、注意安裝方法、提高軸承密封裝臵的密封性等。

三、磨損

在力的作用下,兩個相互接觸的金屬表麵相對運動產生摩擦,形成摩擦副。磨擦引起金屬消耗或產生殘餘變形,使金屬表麵的形狀、尺寸、組織或性能發生改變的現象稱為磨損。磨損過程包含有兩物體的相互作用、黏著、擦傷、塑性變形、化學反應等幾個階段。其中物體相互作用的程度對磨損的產生和發展起著重要的作用。

磨損的基本形工有:疲勞磨損、黏著磨損、磨料(粒)磨損、微動磨損和腐蝕磨損等。

產生磨損的主要原因:
A、異物通過了密封不良的裝臵(或密封圈)進入了軸承內部。
B、潤滑不當。如潤滑油中的雜質未過濾幹淨、潤滑方式不良、潤滑劑選用不當、潤滑劑變質等。
C、零件接觸麵上的材料顆粒脫離,
D、鏽蝕。如,由於軸承使用溫度變化產生的冷凝水、潤滑劑中添加劑的腐蝕性特質等原因形成的鏽蝕。實際中多數磨損屬於綜合性磨損,預防對策應根據磨損的形式和機理分別采取措施。對於微動磨損,可以采用小遊隙或過盈配合來減少使用過程中的微動磨損;可在套圈與滾動體之間采用稀潤滑劑潤滑或分別包裝來減少運輸過程的微動磨損;對於黏著磨損可以采取提高加工精度、增強潤滑效果等措施來解決。 對於磨料(粒)磨損,可以采用表麵強化處理、表麵潤滑處理(如滲硫、磷化、表麵軟金屬膜塗層等)、改善軸承密封結構、提高零件加工精度、保證潤滑油過濾質量、減少製造和使用過程中對表麵的損傷等方法來解決。對於腐蝕磨損,應減少軸承使用環境中腐蝕物質的侵入、對零件表麵進行耐腐蝕處理或采用耐腐蝕材料製造產品等手段來解決。

另外,還可以從產品結構設計和製造的角度進行改進,如提高零件的加工精度、減少磨削加工中產生的變質層、保證彈性流體動壓潤滑膜等實現預防磨損的目的。

四、腐蝕

金屬與其所處環境中的物質發生化學反應或電化學反應變化所引起的消耗稱為腐蝕。金屬腐蝕的形式多種多樣,就金屬與周圍介質作用的性質來分可以分為化學腐蝕和電化學腐蝕兩類化學腐蝕是由於金屬與周圍介質之間的純化學作用引起的。其過程中沒有電流產生,但有腐蝕物質產生。這種物質一般都覆蓋在金屬表麵上形成一層疏鬆膜.化學反應形成的腐蝕機理比較簡單,主要是物體之間通過接觸產生了化學反應,如金屬在大氣中與水產生的化學反應形成的腐蝕(又稱為鏽蝕)電化學腐蝕是由於金屬與周圍介質之間產生電化學作用引起的。其基本特點是在腐蝕的同時又有電流產生。電化學反應的腐蝕機理主要是微電池效應。

就滾動軸承而言,產生腐蝕的主要原因有:
A、軸承內部或潤滑劑中含有水、堿、酸等腐蝕物質
B、軸承在使用中的熱量沒有及時釋放,冷卻後形成水分
C、密封裝臵失效
D、軸承使用環境濕度大
E、清洗、組裝、存放不當

腐蝕產生部位:零件各表麵都會有。按程度有腐蝕斑點或腐蝕坑(洞),斑點和蝕坑一般呈零星或密集分布,形狀不規則,深度不定,顏色有淺灰色、紅褐色、灰褐色、黑色。對於金屬材料來說,消除腐蝕是比較困難的,但可以減緩腐蝕的發生,防止軸承與腐蝕物質接觸,可以通過合金化,表麵改性等方法提高耐腐蝕能力,使得金屬表麵形成一層穩定致密與基體結合固的鈍化膜。

五、蠕動

受旋轉載荷的軸承套圈,如果選用間隙配合,在配合表麵上會發生圓周方向的相對運動,使配合麵上產生磨擦、磨損、發熱、變形,造成軸承不正常損壞。這種配合麵周向的微小滑動稱為蠕動或爬行。蠕動形成的機理是當內圈與軸配合過盈量不足時,在內圈與軸之間的配合麵上因受力產生彈性變形而出現微小的間隙,造成內圈與軸旋轉時在圓周方向上的不同步、打滑,嚴重時在壓力作用下發生金屬滑移。在外圈與殼體也同樣會出理類似的情況。蠕動形貌特征在一些方麵具有腐蝕磨損和微動磨損的某些特征。蠕變在形成過程中也有一些非常細小的磨損顆粒脫落並立即局部氧化,生成一種類似鐵鏽的腐蝕物。其區別主要根據它們的位臵和分布來判斷,如果零件沒有受到腐蝕又出現了褐色鏽斑,鏽斑的周圍常常圍繞著一圈碾光區,出現的部位又在軸承的配合表麵上,那麽可能就是蠕動。發生蠕動的配合麵上,或出現鏡麵狀的光亮色,或暗淡色,或咬合狀,蠕動部位與零件原表麵有明顯區別。在軸承的端麵由於軸向壓緊力不足。或懸臂軸頻繁撓曲,運轉一定時間後也會出現蠕動的特征。產生蠕動的主要原因是內,外圈與軸或軸承座的配合過盈量不足,或載荷方向發生了變化。預防的措施:采用過盈配合並適當提高過盈量,在采用間隙配合的場合的場合可用黏結劑將兩個配合麵固定或沿軸(或軸承座)的軸向方向將軸承緊固。

六、燒傷

軸承零件在使用中受到異常高溫的影響,又得不到及時冷卻,使零件表麵組織產生高溫回火或二次淬火的現象稱為燒傷。燒傷產生的主要原因是潤滑不良、預載荷過大、遊隙選擇不當、軸承配合不當、滾道表麵接觸不良、應力過大等因素所致。如:
A、在軸向遊動軸承中,如果外圈配合的過緊,不能在外殼孔中移動;
B、軸承工作中運轉溫度升高,軸的熱膨脹引起很大的軸向力,而軸承又無法軸向移動時;
C、由於潤滑不充分,或潤滑劑選用不合理、質量問題、老化和變質等;
D、內外圈運轉溫度差大,加上遊隙選擇不當,外圈膨脹小內圈大呈過盈導致軸承溫度急劇升高;
E、軸承承受的載荷過大和載荷分布均勻,形成應力集中;
F、零件表麵加工粗糙,造成接觸不良或油膜形成困難。
燒傷的形貌特征可以根據零件表麵的顏色不同來判斷。軸承在使用中由於潤滑劑、溫度、腐蝕等原因。零件表麵會發生變化,顏色主要有淡黃色、黃色、棕紅色、紫藍色及藍黑色等,其中淡黃色、黃色、棕紅色屬於變色,若出現紫藍色或藍黑色的為燒傷。燒傷容易造成零件表麵硬度下降或出現微裂紋。燒傷產生的部位主要發生在零件的各接觸表麵上,如圓錐滾子軸承的擋邊工作麵、滾子端麵、應力集中的滾表麵等。燒傷的預防可根據燒傷產生的原因有針對性地采取措施。如正確選用軸承結構和配臵、避免軸了砂承受過大的載荷、安裝時采用正確的安裝方式防止應力集中、保證潤滑效果等。

七、電蝕

電蝕是由電流放電引起,致使軸承零件表麵出現電擊的傷痕,此種損傷稱為電蝕。在兩零件接觸麵間一般存在一層油膜,該油膜一定有的絕緣作用,當有電流通過軸承內部時,在兩麵三刀零件接觸表麵形成電壓差,當電壓差高到足以擊穿絕緣層時就會在兩零件接觸表麵處產生火區放電,擊穿油膜放電,產生高溫,造成局部表麵的熔融,形成弧凹狀或溝蝕。受到電蝕的零件,其金屬表麵被局部加熱和熔化,在放大鏡下觀察損傷區域一般呈現斑點、凹坑、密集的小坑,有金屬熔融現象,電蝕坑呈現火山噴口狀。電蝕會使零件的材料硬度下降,並加快磨損發生速度,也會誘發疲勞剝落。預防電蝕的措施是在焊接或其他帶電體與軸承接觸時加強軸承的絕緣或接地保護,防止電荷的聚集並形成高的電位差,避免放電現象產生。防止電流與軸承接觸。

八、裂紋和缺損

當軸承零件所承受的應力超出材料的斷裂極限應力時,其內部或表麵便發生斷裂和局部斷裂,這種使材料出現不連續或斷裂的現象稱為裂紋。在材料表麵或表層下有一種貌似毛發的細微裂紋稱為發紋。當發紋擴展到一定程度,使得部分材料完全脫離零件基體的現象稱為斷裂。裂紋一般呈線狀,方向不定,有一定長度和深(寬)度,有尖銳的根部和邊緣。裂紋有內部裂紋和表麵裂紋之分,也有肉眼可見和不可見兩種形式,對於肉眼不可見裂紋需要采用無損檢測的方法進行觀察。發紋一般呈細線狀,方向沿鋼材軋製方向斷續分布,有一定長度和深度,有時單條有時數條出現。裂紋產生的原因較為複雜,影響因素很多,如原材料、鍛造、衝壓折疊、熱處理、磨削、局部過大的應力等。發紋形成的原因是鋼材在冶煉過程中產生的氣泡或夾雜,經軋製變形後存在於材料表層。對於肉眼不可見裂紋需要采用無損檢測的方法進行觀察。裂紋的預防措施主要有,在製造方麵應控製原材料缺陷如非金屬夾雜、表麵夾渣、折疊、顯微孔隙、縮孔、氣泡等。控製加工應力如熱處理淬火時產生的內應力(熱應力和組織應力)、磨削應力、衝壓應力等。在使用方麵注意軸承安裝過程中的非正常敲(撞)擊以及安裝不良造成的局部應力過大等。另外,還要保證潤滑,增強密封效果,控製外部雜質流入,避免軸承與腐蝕性物質接觸等。

九、保持架損壞

當滾動體進入或離開承載區域時,保持架將受到帶有一定衝擊性質的拉(壓)應力作用,尤其是滾子軸承的滾子產生傾斜時所受到的應力會更大。在這種應力的反複作用下,保持架的兜孔、過梁、鉚釘會出現變形、磨損、疲勞,甚至斷裂現象。另外,不正確的安裝方式也會損壞保持架。保持架相對套圈的強度一般較弱(尤其是衝壓保持架),如果安裝不得當,將安裝力直接施加在保持架上,很容易造成保持架變形。衝壓保持架製造過程中產生的應力過大也是造成保持架損壞的原因之一。防止保持架損壞的措施可以從設計、製造、安裝方麵考慮。保持架在運轉中受到的拉(壓)應力是無法避免的。但提高保持架的強度可通過適當增加保持架過梁(鉚釘)強度來解決。滾子產生傾斜可以通過提高製造和安裝質量來解決。改善潤滑條件有助於減少磨損。對衝壓保持架製造過程中產生的應力可采用振動光飾等方法支除或減少應力。

十、尺寸變化

軸承運轉一定時間以後,會出現遊隙減小或增大的現象。通過對零件尺寸檢測可以發現軸承內、外圈或滾動體直徑方向的尺寸發生了變化(增大或減小),影響軸承的正常旋轉精度。若沒有了遊隙,會出現摩擦磨損加劇、工作溫度上升、甚至“卡死”等現象。若遊隙變大,會出現振動或噪聲增大、旋轉精度降低、應力集中等情況。軸承內徑增大還很可能出現“甩圈”現象。軸承零件在熱處理過程中,保留了一定數量的殘佘奧氏體,而奧氏體是一種不穩定相,隨著時間或溫度的變化,奧氏體將逐步轉變為較穩定的馬氏體組織,由於馬氏體組織的體積大於奧氏體組織,因此,在轉變過程中零件的體積將發生漲大。而馬氏體組織自身也會產生分解,馬氏體分解的結果會出現尺寸收縮的現象。軸承工作溫度高對奧氏體的轉變和馬氏體的分解有促進作用。還有一種情況,零件在內應力釋放過程中也會引起尺寸的改變。從預防或控製零件尺寸穩定性的角度考慮,可以在軸承零件熱處理時對不穩定的殘餘奧氏體組織進行穩定化處理。另外,在使用中應保證軸承的使用溫度低於軸承允許的工作溫度,以防止尺寸出現較大的變化。

十一、使用不當引起的損壞

軸承使用不當引起的損壞在軸承失效中占有很大的比例。軸承使用不當涉及軸承選型、軸承配臵、軸承支承結構、配合、安裝、潤滑、密封、維護保養等諸多方麵。軸承失效與使用不當密不可分。

十二、其他損傷

A、變色

變色是由於軸承在運轉過程中因發熱引起的表麵顏色變化。另外,在溫度作用下潤滑劑中的部分化學物質、磨損的金屬粉末等雜質會黏附在零件表麵上也會引起軸承零件顏色變化,這種變色又稱汙斑。表麵顏色一般呈淡黃色、黃色、茶色、棕紅色、紫藍色及藍黑色等,發熱引起的變色一般沒有深度。對於使用中的軸承若出現深度變色如紫藍色或藍黑色的則有可能形成了燒傷。零件腐蝕也會引起變色,但這類變色有一定深度。軸承零件在運轉過程中,因摩擦會產生大量的熱,若潤滑不充分或散熱條件差,熱量得不到及時的冷卻或擴散,熱量的聚積使軸承溫度很快升高,溫度升高會使附著在軸承零件表麵的油膜產生氧化現象,形成一種淺褐色的氧化製,沉積附著在軸承的表麵上。但這種變色並不影響軸承的使用,所以允許存生。當軸承因安裝不當(如安裝傾斜)或潤滑不良等原因使軸承處於一種極不正常的工作狀態,引起溫度的急速上升,此時軸承的局部溫度有可能超過軸承零件的回火溫度,甚至更高,並產生嚴重的變色如藍黑色或紫藍色,形成燒傷現象,這種情況的變色軸承就不能再繼續使用了。
變色的主要原因是軸承的工作遊隙過小、局部應力集中、預載荷過大、潤滑不良、潤滑劑變質、散熱條件差、潤滑劑使用過量等。變色的預防可以通過選擇合適潤滑劑和潤滑方式、保證油路暢通和及時供應、提高潤滑效果、正確安裝軸承、提高軸承散熱條件、適當提高製造精度、防止應力集中等措施來解決。

B、麻點

麻點是由於材料的品質、腐蝕、疲勞、異物進入工作表麵等原因在零件表麵引起細小坑、點。其表麵形態呈黑色針點狀凹坑,有一定深度,單個、多個或密集出現。麻點在套圈或滾動體表麵均有可能產生。麻點產生的機理因麻點產生的原因不同而不同,如疲勞,腐蝕、材料缺陷等都可能產生麻點。對麻點的預防可以從控製材料缺陷、腐蝕、潤滑和密封方麵考慮。一般來講,對於非疲勞引起的尺寸較小的麻點可以繼續使用。

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